装配式钢混工字组合梁桥荷载横向分布系数研究

时间：2024-07-28

贺国栋陈洪伟崔剑峰贺耀北

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410008）

钢混工字组合梁桥由于建筑高度低、自重轻、方便吊装，可进行无支架施工，有利于施工中交通组织等优点而逐渐在城市立交桥、跨线桥中得到应用。钢混工字组合梁桥由多片工字钢主梁通过混凝土桥面板和横梁连成整体，形成共同受力的组合结构。由于存在多片主梁，各片梁的受力不同，是典型的空间受力问题。在桥梁的设计过程中，引入荷载横向分布系数的概念可将空间问题转化为平面问题，通过计算荷载横向分布系数即可得到桥梁各片主梁的内力［1］。近年来钢混组合梁桥的纵向计算体系已经比较完善，但是关于组合梁在活载作用下的荷载横向分布系数计算方法仍存在不足，设计过程中往往偏于保守而取大值，在一定程度上限制了组合梁桥经济效益的发挥。

聂建国等［2］在刚接梁法的基础上，研究了钢混组合梁加宽混凝土梁桥的荷载横向分布系数，考虑组合梁与原有桥梁在主梁刚度和间距上的差异，提出了修正的刚接梁计算方法，研究该方法在加宽桥梁中的适用条件，并与有限元结果和实桥测试结果进行对比，二者吻合良好。李瑞琪等［3］通过有限元分析对钢混组合小箱梁桥荷载横向分布系数的计算方法和影响参数进行了理论研究，结果表明桥面板厚度、桥面板铰缝设置、横梁间距等因素对简支组合箱梁桥横向受力分布性能影响不大。聂鑫等［4］对变截面钢混组合连续梁桥的横向分布性能进行了理论研究，采用修正偏心压力法计算荷载横向分布系数，与并有限元结果和实桥测试结果进行对比，结果表明修正偏心压力法是偏安全的。项贻强等［5］研究了多梁式钢混组合小箱梁桥的荷载横向分布，在考虑界面滑移效应的情况下，对传统的偏心压力法、修正偏心压力法、刚接梁法计算公式进行修正，将修正计算公式得到的结果与有限元计算结果进行对比，结果表明桥梁宽度对荷载横向分布的影响较大，应根据结构的宽跨比采用不同的修正算法。钟小军［6］研究了混凝土小箱梁桥的荷载横向分布系数理论计算方法，并与有限元结果和试验结果进行对比，对工程设计的应用提出了建议。李保宽等［7］以30 m 跨径简支组合式混凝土箱梁为对象，研究斜交角度、宽跨比对荷载横向分布系数的影响，结果表明荷载横向分布系数随桥梁宽跨比的增大而减小，采用传统方法计算的误差达到10%以上，宽桥设计时应采用有限元分析确定荷载横向分布系数，以便得到更精确的结果。倪章军等［8］探讨了GFRP 组合梁桥的荷载横向分布系数，并对其取值提出了建议。赵兴中等［9］建议采用修正刚性横梁法计算混凝土简支小箱梁的荷载横向分布系数。郭晶等［10］提出了考虑剪切滑移效应的组合梁桥荷载横向分布系数计算方法，结果表明剪切滑移效应的影响较小。黄成等［11］研究了大宽跨比T 梁桥的荷载横向分布系数，结果表明桥宽对荷载横向分布系数的影响较大。

上述文献的研究对象与本文研究的钢混工字组合梁桥在构造上有差异，其结论仅可为工字组合梁桥的荷载横向分布系数提供参考，具体计算方法和数值还需针对该桥的构造设计特点开展研究。

本文采用有限元软件ANSYS 建立3×30 m 装配式钢混工字组合梁桥实体模型，研究其荷载横向分布规律，采用4种方法计算荷载横向分布系数，并与有限元软件计算结果进行对比分析，提出钢混工字组合梁桥荷载横向分布系数的简化计算方法。

1 研究对象

钢混工字组合连续梁桥单幅桥宽12.5 m（图1），桥面布置0.5 m 防撞栏+11.5 m 行车道+0.5 m 防撞栏。全桥设6片工字钢梁，横向间距2.1 m。

图1 钢混组合梁典型横断面（单位：mm）

边梁和中梁横截面见图2，根据受力需要钢梁底板厚度分别为26，30，32，36 mm，上翼缘板及底板均水平布置。桥梁在支点处设混凝土横梁，跨中设1 道钢横梁，其他位置均不设横梁。钢横梁采用工字形截面，梁高900 mm，腹板厚14 mm，翼板宽300 mm，翼缘厚14 mm。混凝土横梁采用矩形截面，梁高900 mm，边支点横梁宽600 mm，中支点横梁宽1 200 mm。

图2 边梁和中梁横断面（单位：mm）

2 基于常用方法的组合梁荷载横向分布系数

2.1 常用计算方法

通过计算荷载横向分布系数，可将桥梁结构空间问题转化为平面问题，将空间计算模型简化为单梁计算模型，从而减少计算工作量，提高效率。荷载横向分布系数计算方法包括杠杆原理法、偏心压力法、横向铰接板梁法、横向刚接板梁法和比拟正交异性板法［1］。在实践中，由于施工特点、构造设计、桥梁上部结构横向联系形式不同，对应的计算方法也不同。这几种计算方法都是从分析荷载在桥梁上的横向分布规律出发，首先得到各主梁的荷载横向分布影响线，然后通过横向最不利荷载计算荷载横向分布系数。

以上计算方法可以有效地计算常规桥梁上部结构荷载横向分布系数，但均有其适用条件和局限性。杠杆原理法把横向结构视作在主梁处断开的简支梁，适用于双主梁、横向联系很弱的无中间横隔梁以及靠近主梁支点处的情况。偏心压力法把横隔梁视作刚性极大的梁，适用于宽跨比小于等于0.5，且横隔梁、横隔板数量比较多，横向整体性比较强的上部结构。横向铰接板梁法将相邻板梁视为铰接，适用于各主梁间直接仅能传递剪力的上部结构。横向刚接板梁法把相邻板梁视为刚接，适用于各主梁间不仅能传递剪力又能传递弯矩的上部结构。比拟正交异性板法将主梁和横梁的刚度换算成两向刚度不同的比拟弹性平板，适用于由主梁、连续的桥面板和多横隔梁组成的较宽梁桥。对于钢混工字组合梁桥，现行规范对具体采用哪种计算方法未作出明确规定，且本桥在构造设计上与以上几种方法的适用范围均存在差异，因此有必要对钢混工字组合梁桥的荷载横向分布计算理论与方法展开研究。

2.2 组合梁横向分布系数

根据本桥构造设计特点，采用4 种方法计算钢混工字组合梁桥的荷载横向分布系数（图3）并对比分析，探讨其适用性。

图3 边梁和中梁横断面荷载横向分布系数

由图3 可知，对于边梁（1#梁），4 种方法的计算结果差别不大，对于次边梁（2#梁）计算结果有差别，对于中梁（3#梁）计算结果差别很大。在计算阶段选取不同方法将直接影响结构设计尺寸，安全系数不足会影响结构的安全性，安全系数过大则造成材料浪费。

3 基于实体模型的组合梁荷载横向分布系数

3.1 有限元模型

采用有限元软件ANSYS 建立钢混组合梁的三维空间有限元模型，其中钢板采用shell63 壳单元模拟，混凝土采用solid45 实体单元模拟。计算模型按照弹性假定，不考虑混凝土开裂的影响，不考虑混凝土与钢板之间的滑移。为保证计算精度，单元划分最大尺寸不超过100 mm。研究对象为3×30 m 连续梁，有限元模型边界条件为：每片工字钢梁底施加竖向约束、中支点一排支座施加纵向约束、3#主梁一列支座施加横向约束。

3.2 计算过程与方法

选取桥梁的跨中断面、四分点断面、支点断面作为控制断面，分别施加横向移动集中荷载，获取每片主梁的竖向位移，再根据式（1）计算各片梁的荷载横向分布影响线竖标值。

式中：ηij为移动荷载作用在第j号主梁时第i号主梁的影响线竖标值；fij为移动荷载作用在第j号主梁时引起的第i号主梁竖向位移（或支座反力）。

将荷载作用在不同位置计算的影响线竖标值连线即可得到各片梁的荷载横向分布影响线，再通过横向最不利布载，根据式（2）计算每片主梁的荷载横向分布系数。

式中：mi为第i号主梁的荷载横向分布系数；λ为车道横向折减系数；ηiq为汽车集中荷载作用点的影响线竖标值。

分别按2 车道和3 车道布载，考虑车道横向折减系数后取二者的不利值作为最终荷载横向分布系数。

3.3 计算结果与分析

3.3.1 支点断面

当荷载作用于支点断面时，1#—3#梁的荷载横向分布影响线及其最不利布载如图4所示，4#—6#梁的影响线及布载与之对称。

图4 支点断面荷载横向分布影响线及最不利布载（横向间距单位：m）

根据最不利布载对应的影响线竖标值计算各主梁的荷载横向分布系数，将理论计算值与有限元模型计算值进行对比分析，见表1。可知，采用有限元法计算得到的钢混工字组合梁桥支点断面荷载横向分布系数与采用横向铰接板梁法的计算结果最接近，若偏于保守也可以采用杠杆原理法，但采用偏心压力法、横向刚接板梁法的计算结果是偏危险的。对于与本文构造特点类似的组合梁桥，支点断面荷载横向分布系数计算推荐采用横向铰接板梁法或杠杆原理法。

表1 支点断面横向分布系数

3.3.2 四分点断面

当荷载作用于四分点断面时，1#—3#梁的荷载横向分布影响线及其最不利布载如图5 所示。四分点断面荷载横向分布系数见表2。可知，采用有限元法计算得到的钢混工字组合梁桥四分点断面荷载横向分布系数与采用偏心压力法的计算结果最接近，而采用杠杆原理法、横向铰接板梁法的计算结果过于保守。对于与本文构造特点类似的组合梁桥，四分点断面荷载横向分布系数计算推荐采用偏心压力法。

图5 四分点断面荷载横向分布影响线及最不利布载（横向间距单位：m）

表2 四分点断面荷载横向分布系数

3.3.3 跨中断面

当荷载作用于跨中断面时，1#—3#梁的荷载横向分布影响线及其最不利布载如图6所示。跨中断面荷载横向分布系数见表3。

图6 跨中断面荷载横向分布影响线及最不利布载（横向间距单位：m）

表3 跨中断面荷载横向分布系数

由表3 可知，采用有限元法计算的钢混工字组合梁桥跨中断面荷载横向分布系数与采用偏心压力法的计算结果最接近，采用杠杆原理法、横向铰接板梁法的计算结果过于保守。对于与本文构造特点类似的组合梁桥，跨中断面横向分布系数计算推荐采用偏心压力法。